在全球加速能源轉(zhuǎn)型的背景下，中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所聯(lián)合伊朗阿米爾卡比爾理工大學(xué)在泡沫基流場(chǎng)質(zhì)子交換膜燃料電池研究方面取得進(jìn)展。
 

　　泡沫基流場(chǎng)因其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)成為提升燃料電池性能的理想選擇(圖1)。這種3D貫通式流場(chǎng)通過無氣體擴(kuò)散層一體化設(shè)計(jì)，可將電堆整體厚度減少15%～20%，大幅提升了體積功率密度；其高達(dá)90%以上的孔隙率確保了反應(yīng)物在催化層的均勻分布，有效解決了傳統(tǒng)流場(chǎng)存在的傳質(zhì)不均問題；而且，其獨(dú)特的熱傳導(dǎo)特性能夠消除局部熱點(diǎn)，使溫度分布均勻性提升30%。
 

　　圖1 本研究燃料電池示意圖：(a)平行蛇形流量分配器PS，(b)泡沫基流量分配器，(c)傳統(tǒng)肋狀/通道燃料電池(左)和泡沫基燃料電池(右)的側(cè)視圖
 

　　研究提出了一種基于勢(shì)流場(chǎng)解析的功能梯度多孔材料(FGPM)流場(chǎng)系統(tǒng)化設(shè)計(jì)方法(圖2)。通過對(duì)流場(chǎng)內(nèi)勢(shì)流進(jìn)行數(shù)值求解，獲取關(guān)鍵等勢(shì)線分布。將各等勢(shì)線均分構(gòu)建流線網(wǎng)格，形成從入口到出口的連續(xù)傳質(zhì)路徑。基于網(wǎng)格單元位置動(dòng)態(tài)分配孔隙率參數(shù)，確保軸向(流線方向)與徑向(等勢(shì)線方向)的梯度連續(xù)性，從而構(gòu)建出具有優(yōu)化傳質(zhì)性能的FGPM流場(chǎng)結(jié)構(gòu)。該設(shè)計(jì)方法通過CFD迭代驗(yàn)證表明，在保持結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的同時(shí)可實(shí)現(xiàn)傳質(zhì)效率40%以上的提升，為高性能燃料電池流場(chǎng)的工程化設(shè)計(jì)提供了可靠的技術(shù)方案。
 

　　圖2 U型流場(chǎng)的梯度孔隙設(shè)計(jì)方法：(a)勢(shì)流網(wǎng)格劃分，(b)孔隙率分布，(c)質(zhì)量流量分配
 

　　該研究對(duì)FGPM流場(chǎng)與傳統(tǒng)4通道平行蛇形流場(chǎng)(4-PS)的性能進(jìn)行了系統(tǒng)性對(duì)比。結(jié)果顯示，在50×50mm2活性面積條件下，F(xiàn)GPM流場(chǎng)展現(xiàn)出顯著的性能優(yōu)勢(shì)。在關(guān)鍵指標(biāo)體積功率密度方面實(shí)現(xiàn)了84%的大幅提升；其次，通過創(chuàng)新的無氣體擴(kuò)散層一體化設(shè)計(jì)，成功將電堆總厚度減少了15%，從傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的3.75mm降低至3.2mm；在1A/cm2的典型工作電流密度下，F(xiàn)GPM流場(chǎng)使電池的輸出功率提升了57%，這一提升幅度遠(yuǎn)超預(yù)期。這為解決燃料電池在高功率輸出時(shí)的性能衰減問題提供了新的技術(shù)路徑。
 

　　研究特別揭示了兩種典型配置下的性能差異。(1)具有微孔層的薄型膜電極配置下，傳統(tǒng)4-PS和新型FGPM燃料電池的性能均有所提升，然而FGPM流場(chǎng)的體積功率密度比傳統(tǒng)4-PS設(shè)計(jì)提升了84%；(2)無微孔層的厚型膜電極配置下，F(xiàn)GPM流場(chǎng)仍保持了47.8%的性能優(yōu)勢(shì)(圖3)。
 

　　圖3 不同配置下平行流道和FGPM 流場(chǎng)的燃料電池極化曲線：配置1-base厚型膜電極，配置3-具有MPL的薄型膜電極
 

　　相關(guān)研究成果以Application of a foam-based functionally graded porous material flow-distributor to PEM fuel cells為題發(fā)表于Energy。